功率半導體市場發展潛力巨大

　　再來看看電力轉換裝置所使用的普通硅功率半導體市場。2010年全球半導體市場規模約為25萬億日元（按1美元80日元換算，以下同），而其中作為功率半導體代表的功率MOSFET約為5000億日元，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為2500億日元左右。雖然從金額來看，規模比較小，但增長潛力較大，調查公司IHSiSuppli Japan預測，到2015年，功率MOSFET將增長到約1萬億日元，絕緣柵雙極型晶體管將達到4000億日元左右，兩者合在一起，或許能在5年時間內實現倍增。

　　這一發展趨勢的背景原因，不僅是發達國家出現節能熱，還有新興市場國家快速的經濟發展。電力轉換裝置有望出現在社會各個領域，成為一種“生活必需品”，隨著人口較多的新興市場國家現代化的發展，將會產生大量需求。

　　硅半導體的設計技術及制造技術均已成熟，能夠以低成本進行大量生產。但另一方面，由于材料特性的原因，其性能存在極限，無法用于某些用途。碳化硅和氮化鎵將通過突破硅的性能極限來開拓新市場（圖4）。

　　圖4 新一代功率半導體可超越硅的性能極限

　　碳化硅主要適合用于大電力領域，氮化鎵適合用于低電力、轉換速度較快的領域。并且，由于可實現低損耗及小型化，因此還可替代現有的硅元件。

　　新產品新技術相繼問世

　　帶隙是半導體的基本特性，碳化硅和氮化鎵的帶隙比硅大3倍左右，絕緣破壞電場也高一位數。在高溫下也能工作，流經電流時的阻力（導通電阻）較小，也就是能夠制造能量損失較小的元器件（圖5）。

　　圖5 碳化硅與氮化鎵的材料物性（a）與做成元件后的優點（b）

　　在日本，京都大學和產業技術綜合研究所等很早就開始關注上述新材料，一直在推進基礎研究及元器件研究。并且，官方研究機構和民營企業之間也合作實施了多個研究項目。2010年，經濟產業省、內閣府、產綜研及新能源產業技術綜合開發機構等啟動了更注重實用化的新研究項目，也有多家民營企業參加。由于這些項目涉及晶圓制造技術、元器件技術、系統技術及生產技術等多方面，因此經濟產業省于2010年建立了旨在推動項目間合作的組織“碳化硅聯盟”，目前正在提高運營效率。

　　上述研究項目已開始逐漸取得成果，近年來，有多家企業相繼公布了與新一代功率半導體相關的新產品及新技術。